Устройство для определения направления и скорости вращения вала Российский патент 2024 года по МПК G01P3/20 

Изобретение относится к области бесконтактной измерительной техники и струйной автоматики в системах определения направления вращения и измерения скорости вращения объектов, подверженных радиационным воздействиям, работающих во взрывоопасных условиях или в химически опасных средах, например, вращающихся валов роторных машин.

Цель изобретения - расширение возможностей и упрощение систем бесконтактного определения направления вращения и измерения скорости вращения объектов.

Известен струйный датчик угловой скорости (Патент РФ №530252 МПК G01P 3/48. Опубл. 30.09.1976. Бюл. №36), содержащий кольцевую проточку статора между двумя приемными соплами, приемные и питающие сопла, вращающийся прерыватель в виде цилиндра с отверстием на образующей, установленный в кольцевом зазоре между совместно перемещающимся в осевом направлении приемными и питающими соплами. Сигналы приемных сопел попадают в камеры статора, а оттуда по каналам к резонатору, например, струйному соплу, усиливаются и преобразуются в гидравлический сигнал системы автоматического регулирования. Недостаток состоит в необходимости преобразования пневматических сигналов в гидравлические, отсутствии возможности бесконтактного определения числа оборотов и направления вращения вала.

Известен струйный датчик скорости вращения (Патент РФ №503178 МПК G01P 3/26 Опубл. 15.02.1974), содержащий вращающийся прерыватель струй с одинаковыми и равномерно расположенными в нем прорезями, два элемента сопло-приемный канал, расположенные по периферии прерывателя под углом между центром приемных каналов, струйный логический элемент НЕ-ИЛИ и камеры, входные дроссели которых соединены с приемными каналами, а выходные дроссели -со входами элемента НЕ-ИЛИ, струйный элемент памяти, входные каналы которого соединены через емкостные элементы с приемными каналами, а выходные каналы - с выходными дросселями камер. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения вала.

Известен струйный датчик частоты вращения (патент РФ №683348. МПК G01P 3/20, G05D 13/44, опубл. 31.07.2018), содержащий прерыватель в виде диска с прорезями и зубьями, расположенный между парами встречно и соосно размещенных входных и выходных сопел, прорези расположены на длине дуги, в два раза превышающей длину дуги, на которой расположены зубья, и одно входное сопло расположено в плоскости симметрии одной из прорезей, а другое - в плоскости симметрии одного из зубьев. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения вала.

Известно устройство для определения направления вращение вала (патент РФ №528508. МПК G01P 13/00, G01P 3/44, опубл. 25.07.1975. Бюл. №27), содержащее датчик, схему и индикатор в виде симметричного триггера, элемент И, входы которых подключены к фоточувствительным элементам, первые входы подключены непосредственно, а вторые - через общую цепь, состоящую из элемента ИЛИ и триггера Шмидта. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения скорости вращения вала.

Известен струйный датчик угловой скорости (Патент РФ №2059251, G01P 3/22, опубл. 27.04.1996) содержит герметичный корпус, нагнетатель, сопло, камеру с каналом обратного хода газа, излучатель, систему стабилизации расхода газа и приемник, установленные в канале обратного хода газа, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, схему сравнения и усилитель-преобразователь. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения вала.

Известен однокомпонентный струйный измеритель угловой скорости (Патент РФ №2810625. МПК G01P 3/26, опубл.: 28.12.2023 Бюл. №1), содержащий датчик, корпус, нагнетатель, первую и вторую камеры, на входе которых размещены блоки формирования ламинарных струй, связанный с выходом нагнетателя, камеры расположены ортогонально относительно оси с образованием замкнутой газовой цепи, а на выходе расположены чувствительные блоки для измерения угловой скорости, однако несмотря на то, что последовательная замкнутая пневматическая цепь повышает точность измерения за счет одинакового расхода газа в обеих рабочих камерах, недостаток состоит в необходимости преобразования пневматических сигналов в электрические, что снижает возможности бесконтактного определения числа оборотов и не обладает возможностью определения направления вращения вала.

Известна система для определения числа оборотов и направления вращения вращающегося конструктивного элемента (Патент РФ №2701790. МПК G01P 3/488, опубл. 01.10.2019 Бюл. №28) путем намагничивания вращающегося вала, который имеет радиальные выступы и впадины, систему питания, датчики, блок обработки выходных сигналов датчиков для определения направления вращения вала. Недостаток состоит в необходимости намагничивания вала из ферромагнитного материала, низкая помехоустойчивость из-за влияния высокочастотных помех на выходные сигналы, что снижает возможности системы определения направления вращения и скорости вращения вала.

Известно явление аэродинамики, при котором направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и силы вязкого трения вокруг вращающегося тела, например, (Магнуса эффект // Большая российская энциклопедия: [в 35 т.] / гл. ред. Ю.С. Осипов. - М.: Большая российская энциклопедия, 2004-2017. URL: Эффект Магнуса - Википедия (wikipedia.org), при этом вал создает вокруг себя вихревой поток окружающей среды, когда направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока, скорость вращения обтекающего потока увеличивается с увеличением вращения вала. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу потока окружающей среды, воздействующую на тело и направленную перпендикулярно направлению потока при совместном воздействии таких физических явлений, как эффект Бернулли и образование пограничного слоя в среде вокруг обтекаемого вала. Однако, вихревое движение потока не используется для определения скорости и направления вращения вала.

За наиболее близкое по технической сущности к заявляемому техническому решению принят измерительный преобразователь угловой скорости (Описание полезной модели к патенту №203467, МПК G01P 3/20, опубл.: 06.04.2021 Бюл. №10) содержащий корпус с измерительной камерой, вход которой через постоянное сопротивление связан с источником постоянного давления рабочей среды, а выход через симметрично расположенные Г-образные каналы с радиальными соплами, частично перекрытыми подпружиненными конусами, деформацию пружин можно регулировать, измеритель давления подключен к измерительной камере, корпус выполнен неподвижным, Г-образные каналы с соплами выполнены в роторе преобразователя, конусы закреплены на центробежных грузах, установленных на цилиндрических направляющих ротора, перпендикулярных оси его вращения, для регулирования деформации пружин на концах направляющих имеются гайки, а для сбора и отвода рабочей среды в корпусе имеется сливная камера, однако, несмотря на то, что ротор преобразователя является частью контролируемого вала, Г-образные каналы с соплами, выполненные в роторе, усложняют конструкцию и ограничивают возможности, обусловленные необходимостью подвода постоянного давления рабочей среды от постороннего источника, сложностью подвода рабочей среды к вращающемуся ротору для подключения к нему измерителя давления, и невозможностью определения направления вращения вала.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги и прототип, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни одно из известных технических решений не обеспечивает возможности определения числа оборотов и направления вращения вала за счет признаков, содержащихся в предлагаемом устройстве определения направления вращения и скорости вращения вала, что соответствует критериям "новизны и полезности".

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного устройства не следуют явным образом из представленных аналогов и прототипа. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков, предусматриваемых в заявленном изобретении, и достижение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Техническим результатом изобретения является обеспечение бесконтактного определение направления вращения и скорости вращения вала с использованием вихревого потока окружающей среды в зазоре, который образуется вращением вала и создает давление для формирования сигналов определения направления вращения и скорости вращения.

Технический результат изобретения достигается путем установки кольца на вал с зазором, кольцо неподвижно относительно оси вращения вала и имеет, по крайней мере, две канавки, одна из которых расположена на образующей кольца со стороны вала и направлена навстречу прямому направлению (А) вращения вала и прямому вихревому движению потока в зазоре, вторая канавка на образующей кольца со стороны вала расположена диаметрально противоположно первой канавке, и направлена навстречу противоположному направлению (В) вращения вала и вихревому движению потока в зазоре, причем каждая из канавок имеет вогнутую поверхность, обращенную вогнутой частью, подобно парусу, навстречу набегающему вихревому движению потока в зазоре, совпадающему с направлением (А) или (В) вращения вала и вихревым движением потока в зазоре, наиболее удаленная относительно образующей кольца сторона канавки сопряжена касательной к образующей кольца, а наименее удаленная относительно образующей кольца сторона канавки, сопряжена с образующей кольца острой кромкой, канавки каналами соединены и с управляющими входами триггера определения направления вращения вала и с блоком контроля, и индикации скорости вращения вала, по крайней мере, первая канавка соединена с первым управляющим входом триггера определения прямого направления (А) вращения вала и с блоком контроля и индикации скорости при прямом направлении (А) вращения вала, по крайней мере, вторая канавка соединена со вторым управляющим входом триггера определения противоположного направления (В) вращения вала и с блоком контроля(,) и индикации скорости при противоположном направлении (В) вращения вала. Давление потока на образующей кольца тем выше, чем выше скорость вращения вала. При этом не вращающееся кольцо может быть установлено на любом участке в пределах зазора между валом и образующей кольца.

На фигуре изображено устройство для определения направления и скорости вращения вала с двумя диаметрально противоположными канавками.

Устройств определения направления и скорости вращения вала поясняется чертежом на фигуре со следующими обозначениями:

Устройство для определения направления и скорости вращения вала 1 в двух направлениях (А) или (В) содержит кольцо 2, установленное на вал 1 с зазором 3. Кольцо 2 неподвижно относительно оси вращения вала 1 и имеет, по крайней мере, две канавки 4, 5 со стороны вала 1, каналы 6 и 7 для формирования сигналов на определение направления (А) или (В) вращения вала 1 и сигналов на определение скорости вращения вала 1 в направлениях (А) или (В). Канавка 4 касательной 10 сопряжена с образующей 14 кольца 2 острой кромкой 12, а канавка 5 касательной 11 сопряжена с внутренней образующей 14 кольца 2 острой кромкой 13. Причем канавка 4 имеет вогнутую поверхность 28, а канавка 5 имеет вогнутую поверхность 29. Вогнутые поверхности 28 и 29 обращены вогнутыми частями, подобно парусу, навстречу набегающему вихревому движению потока в зазоре 3, совпадающему с направлением (А) вращения вала 1 и вихревым движением потока в зазоре 3. Наиболее удаленная относительно зазора 3 вогнутая поверхность 28 сопряжена касательной 10 к внутренней образующей 14 кольца 2, а наименее удаленная относительно зазора 3 вогнутая поверхность 28 сопряжена с образующей 14 кромкой 12. Канавка 5 имеет вогнутую поверхность 29, обращенную вогнутой частью, подобно парусу, навстречу набегающему вихревому движению потока в зазоре 3, совпадающему с направлением (В) вращения вала 1 и вихревым движением потока в зазоре 3. Наиболее удаленная относительно зазора 3 вогнутая поверхность 29 сопряжена касательной 11 к образующей 14 кольца 2, а наименее удаленная относительно зазора 3 вогнутая поверхность 29 сопряжена с образующей 14 кромкой 13. Блок управления содержит первичные усилители 15, 16, вторичные усилители 17, 18, триггер 19 с раздельными входами 22, 23, выходом (А) 24 и выходом (В) 25, индикатор скорости вращения (А) 20, индикатор скорости вращения (В) 21, блок контроля скорости вращения 26 с выходом 27.

Устройство для определения направления и скорости вращения вала работает следующим образом. Устройство устанавливают на вал с зазором и неподвижно относительно вращающегося вала. Вращение вала 1 относительно неподвижного кольца 2 увлекает за собой обтекающий его поток окружающей среды, создает вихревое движение потока, образующее силы вязкого трения и радиальные силы в зазоре 3 со стороны вала 1. Силами вязкого трения и радиальными силами при совпадении с прямым (А) или противоположным (В) направлениями вращения вала 1 в зазоре 3 относительно кольца 2 создается давление, которое тем выше, чем выше скорость вращения вала 1. Вихревой поток окружающей среды, вращаясь в зазоре 3 вместе с валом 1 относительно кольца 2 в направлении (А) по касательной 10 попадает в канавку 4 и создает на ее вогнутой поверхности 28 давление потока 8, которое через канал 6 подает сигнал, показывающий скорость и направление вращения (А) вала 1. Кромка 12 отсекает поток, вихревое движение потока за кромкой 12 в зазоре 3 вновь создает давление. Проходя кромку 13 поток срывается с нее и на вогнутой поверхности 29 канавки 5 образует разрежение, которое препятствует выходу потока в канал 7. Вихревой поток окружающей среды, вращаясь в зазоре 3 вместе с валом 1 относительно кольца 2 в направлении (В) по плоской стороне 11 попадает в канавку 5 и создает на ее вогнутой поверхности 29 давление потока 9, которое через канал 7 подает сигнал, показывающий скорость и направление вращения (В) вала 1. Кромка 13 отсекает поток, вихревое движение потока за кромкой 13 в зазоре 3 вновь создает давление. Проходя кромку 12 поток срывается с нее и на вогнутой поверхности 28 канавки 4 образует разрежение, которое препятствует выходу потока в канал 6. При этом силы давления в зазоре 3 будут тем выше, чем выше скорость вращения вала 1. При вращении вала 1 относительно кольца 2 в направлении (А) давление потока 8 через канал 6, первичный усилитель 15, управляющий вход 22 переключает триггер 19 и на выходе 24 триггера 19 создает сигнал, показывающий вращение вала 1 относительно кольца 2 в направлении (А). С выхода первичного усилителя 15 давление подается на вход блока контроля скорости вращения 26, на вход вторичного усилителя 12, а с его выхода на индикатор 20 скорости вращения вала 1 относительно кольца 2 в направлении (А). При вращении вала 1 относительно кольца 2 в направлении (В) давление потока 9 через канал 7, первичный усилитель 16, управляющий вход 23 переключает триггер 19 и на выходе 25 триггера 19 создает сигнал, показывающий вращение вала 1 относительно кольца 2 в направлении (В). С выхода первичного усилителя 16 давление подается на вход блока контроля скорости вращения 26, на вход вторичного усилителя 18, а с его выхода на индикатор 21 скорости вращения вала 1 относительно кольца 2 в направлении (В).

Таким образом, давлением, образующимся силами вязкого трения и радиальными силами при вихревом движении потока окружающей среды в зазоре 3 между валом 1 и образующей 14 кольца 2, осуществляется бесконтактное определение направления вращения (А) и (В), бесконтактное определение скорости вращения вала 1 относительно кольца 2 в прямом (А) и противоположном (В) направлениях, при этом, чем выше скорость вращения вала 1 относительно кольца 2, тем выше давление потока в канавках 8, 9 и в каналах 6, 7, которое дополнительно усиливается первичными усилителями 15, 16 на входах 22, 23 триггера 19 и блока контроля скорости вращения 26, а также дополнительно усиливается вторичными усилителями 17, 18 на входах индикаторов 20, 21 скорости вращения вала 1 относительно кольца 2. При этом кольцо 2 может быть установлено на любом участке вала 1 в пределах зазора 3 со стороны вала 1.

Применение изобретения с использованием давления при вихревом движении потока окружающей среды для формирования результирующих сигналов исключает необходимость в посторонних источниках питания, расширяет возможности определения направления вращения и измерения скорости вращения валов при радиационных воздействиях, в химически опасных и во взрывоопасных опасных средах.

Изобретение относится к области бесконтактной измерительной техники. Устройство для определения направления и скорости вращения вала содержит неподвижную камеру, выполненную в виде кольца. На внутренней образующей кольца выполнены две канавки, расположенные диаметрально противоположно друг другу, при этом одна канавка направлена навстречу прямому направлению вращения вала и прямому вихревому движению потока в зазоре, а вторая канавка направлена навстречу противоположному направлению вращения вала и противоположному вихревому движению потока в зазоре, при этом первая канавка каналом соединена с первым управляющим входом триггера определения прямого направления вращения вала и с блоком контроля и индикации скорости при прямом направлении вращения вала, вторая канавка каналом соединена со вторым управляющим входом триггера определения противоположного направления вращения вала, с блоком контроля и индикации скорости при противоположном направлении вращения вала. Технический результат – обеспечение бесконтактного определения направления вращения и скорости вращения объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения направления и скорости вращения вала, содержащее неподвижную камеру, каналы с соплами, измерители результирующих сигналов, отличающееся тем, что камера выполнена в виде кольца, установленного на вал с зазором, кольцо неподвижно относительно вращающегося вала и имеет, по крайней мере, две канавки, расположенные на образующей кольца со стороны вала, одна из канавок направлена навстречу прямому направлению вращения вала и прямому вихревому движению потока в зазоре, вторая канавка расположена диаметрально противоположно первой канавке и направлена навстречу противоположному направлению вращения вала и вихревому движению потока в зазоре, причем каждая из канавок имеет вогнутую поверхность, обращенную вогнутой частью, подобно парусу, навстречу набегающему вихревому движению потока в зазоре, совпадающему с направлением вращения вала и вихревым движением потока в зазоре, наиболее удаленная относительно образующей кольца сторона канавки сопряжена касательной к образующей кольца, а наименее удаленная относительно образующей кольца сторона канавки сопряжена с образующей кольца острой кромкой, канавки каналами соединены и с управляющими входами триггера определения направления вращения вала, и с блоком контроля и индикации скорости вращения вала, по крайней мере, первая канавка с помощью канала соединена с первым управляющим входом триггера определения прямого направления вращения вала и с блоком контроля и индикации скорости при прямом направлении вращения вала, по крайней мере, вторая канавка с помощью канала соединена со вторым управляющим входом триггера определения противоположного направления вращения вала и с блоком контроля и индикации скорости при противоположном направлении вращения вала.

2. Устройство для определения направления и скорости вращения вала по п. 1, отличающееся тем, что кольцо может быть установлено на любом участке вала в пределах зазора кольца со стороны вала.